KR20100092917A

KR20100092917A - 다중안테나 시스템에서 데이터 전송방법 및 장치

Info

Publication number: KR20100092917A
Application number: KR1020100013654A
Authority: KR
Inventors: 고현수; 구자호; 정재훈; 이문일
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2009-02-13
Filing date: 2010-02-13
Publication date: 2010-08-23
Also published as: CN102349243B; JP2012517761A; JP5416789B2; KR101068741B1; CN102349243A

Abstract

다중안테나 시스템에서 데이터 전송방법은 복수의 행 및 열로 구성되는 프리코딩 행렬을 적어도 하나 포함하는 코드북을 정의하되, 상기 코드북은 상기 프리코딩 행렬의 모든 요소가 0이 아닌 제1 유형, 상기 프리코딩 행렬의 어느 하나의 열이 0이 아닌 요소만을 포함하고 나머지 열은 0인 요소를 적어도 하나 포함하는 제2 유형 및 상기 프리코딩 행렬의 모든 열이 0인 요소를 적어도 하나 포함하는 제3 유형 중 적어도 어느 하나의 유형인 단계, 상기 정의된 코드북을 이용하여 입력 심볼의 프리코딩을 수행하는 단계, 및 상기 프리코딩이 수행된 심볼을 전송하는 단계를 포함한다.

Description

다중안테나 시스템에서 데이터 전송방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR DATA TRANSMISSION IN MULTIPLE ANTENNA SYSTEM}

본 발명은 무선통신에 관한 것으로 보다 상세하게는 다중안테나를 이용한 데이터 전송방법에 관한 것이다.

최근에는 무선통신 시스템의 성능과 통신용량을 극대화하기 위하여 다중입출력(Multiple Input Multiple Output; MIMO) 시스템이 주목받고 있다. MIMO 기술은 지금까지 하나의 송신 안테나와 하나의 수신 안테나를 사용했던 것에서 탈피하여, 다중 송신 안테나와 다중 수신 안테나를 채택해 송수신 데이터 전송 효율을 향상시킬 수 있는 방법이다. MIMO 시스템을 다중안테나(Multiple antenna) 시스템이라고도 한다. MIMO 기술은 하나의 전체 메시지를 수신하기 위해 단일 안테나 경로에 의존하지 않고 여러 안테나에서 수신된 단편적인 데이터 조각을 한데 모아 완성하는 기술을 응용한 것이다. 그 결과, 특정 범위에서 데이터 전송 속도를 향상시키거나 특정 데이터 전송 속도에 대해 시스템 범위를 증가시킬 수 있다.

MIMO 기술에는 송신 다이버시티(transmit diversity), 공간 다중화(spatial multiplexing) 및 빔형성(beamforming) 등이 있다. 송신 다이버시티는 다중 송신 안테나에서 동일한 데이터를 전송하여 전송 신뢰도를 높이는 기술이다. 공간 다중화는 다중 송신 안테나에서 서로 다른 데이터를 동시에 전송하여 시스템의 대역폭을 증가시키지 않고 고속의 데이터를 전송할 수 있는 기술이다. 빔 형성은 다중 안테나에서 채널 상태에 따른 가중치를 가하여 신호의 SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio)을 증가시키기 위해 사용된다. 이때, 가중치는 가중치 벡터(weight vector) 또는 가중치 행렬(weight matrix)로 표시될 수 있고, 이를 프리코딩 벡터(precoding vector) 또는 프리코딩 행렬(precoding matrix)이라 한다.

공간 다중화는 단일 사용자에 대한 공간 다중화와 다중 사용자에 대한 공간 다중화가 있다. 단일 사용자에 대한 공간 다중화는 SU-MIMO(Single User MIMO)라고도 하며, 다중 사용자에 대한 공간 다중화는 SDMA(Spatial Division Multiple Access) 혹은 MU-MIMO(Multi User MIMO)로 불린다. MIMO 채널의 용량은 안테나 수에 비례하여 증가한다. MIMO 채널은 독립 채널로 분해될 수 있다. 송신 안테나의 수를 Nt, 수신 안테나의 수를 Nr 이라 할 때, 독립 채널의 수 Ni 는 Ni ≤ min{Nt, Nr}이 된다. 각각의 독립 채널은 공간 계층(spatial layer)이라 할 수 있다. 랭크(rank)는 MIMO 채널 행렬의 영이 아닌 고유값(non-zero eigenvalue)의 수로, 다중화될 수 있는 공간 스트림의 수로 정의될 수 있다.

MIMO 기술에는 코드북(codebook) 기반의 프리코딩 기법이 있다. 코드북 기반의 프리코딩 기법은 미리 결정된 프리코딩 행렬들 중에서 MIMO 채널과 가장 유사한 프리코딩 행렬을 사용하여 데이터의 전처리를 수행하는 방식이다. 코드북 기반의 프리코딩 기법을 사용하면, 귀환데이터로 프리코딩 행렬 인덱스 (precoding matrix indicator; PMI)를 귀환데이터로 전송할 수 있으므로 오버헤드를 줄일 수 있다. 코드북은 공간 채널을 대표할 수 있는 코드북 세트(codebook set)로 구성된다. 데이터의 송신율을 높이기 위해서는 안테나의 수를 증가시켜야 하는데, 안테나의 수가 증가할수록 더 많은 코드북 세트로 코드북이 구성되어야 한다.

특히, 최근에는 4개의 안테나를 가지는 단말이 고려되고 있다. 따라서, 단말의 증가되는 안테나에 적용될 수 있는 코드북의 설계가 필요하다. 새로운 코드북을 설계할 때 고려되어야 할 사항으로 다음과 같은 것이 있다. (1) 상향링크에서 낮은 PAPR(Peak-to-Average Power Ratio)을 갖는 신호가 전송될 수 있어야 하며, 낮은 PAPR 신호가 전송될 때 효율적으로 전력이 사용될 수 있어야 한다. (2) 핸드 그리핑(hand gripping) 상황과 같이 일부 안테나의 신호가 바로 앞의 장애물로 인하여 실제 전력보다 낮은 출력의 신호로 전송될 수 있으며, 이러한 경우 전송에 유리한 안테나가 선택적으로 사용될 수 있어야 한다. (3) 이미 정의되어 있는 하향링크 코드북을 상향링크에 적용함에 있어서 단말의 최대 출력의 제한에 따른 문제점이 고려되어야 한다. 낮은 지오메트리(geometry)에서는 출력 전력을 높여서 신호를 전송하여야 하는데, 단말의 전력 증폭기의 출력에는 한계가 있기 때문에 정의된 하향링크 코드북을 이용하여 낮은 PAPR을 갖는 신호를 효율적인 전력으로 전송할 수 있다. 그러나, 기존의 코드북의 행(row)의 요소들에 의해 전송심볼들이 더해져서 PAPR이 높아질 수 있다. 이와 같이, PAPR이 높아지는 코드북은 전력의 제한을 가지는 상향링크 전송에서 적합하지 않다.

다중안테나 시스템에서 단말의 안테나의 수에 따라 상향링크 전송에 적합한 코드북의 설계가 필요하다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상향링크 전송에 적합한 코드북을 설계하고, 이를 이용하여 상향링크 데이터를 효율적으로 전송할 수 있는 방법 및 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 일 양태에 따른 다중안테나 시스템에서 데이터 전송방법은 복수의 행 및 열로 구성되는 프리코딩 행렬을 적어도 하나 포함하는 코드북을 정의하되, 상기 코드북은 상기 프리코딩 행렬의 모든 요소가 0이 아닌 제1 유형, 상기 프리코딩 행렬의 어느 하나의 열이 0이 아닌 요소만을 포함하고 나머지 열은 0인 요소를 적어도 하나 포함하는 제2 유형 및 상기 프리코딩 행렬의 모든 열이 0인 요소를 적어도 하나 포함하는 제3 유형 중 적어도 어느 하나의 유형인 단계, 상기 정의된 코드북을 이용하여 입력 심볼의 프리코딩을 수행하는 단계, 및 상기 프리코딩이 수행된 심볼을 전송하는 단계를 포함한다.

다중안테나 시스템에서 증가되는 안테나를 통한 상향링크 전송에 적합한 코드북이 제공될 수 있으며, 이에 따라 상향링크 데이터가 효율적으로 전송될 수 있다.

도 1은 무선 통신 시스템을 나타낸 블록도이다.
도 2는 송신기 구조의 일예를 나타낸다.
도 3은 송신기 구조의 다른 예를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중안테나 시스템에서 송신기와 수신기 간의 데이터 처리를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 4Tx 랭크 3 코드북의 유형의 일예를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 4Tx 랭크 3 코드북을 구성하는 방법을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 4Tx 랭크 3 코드북을 이용한 전력할당을 나타낸다.
도 8은 단말의 요소를 나타낸 블록도이다.

도 1은 무선통신 시스템을 나타낸 블록도이다. 무선통신 시스템은 음성, 패킷 데이터 등과 같은 다양한 통신 서비스를 제공하기 위해 널리 배치된다.

도 1을 참조하면, 무선통신 시스템은 단말(10; User Equipment, UE) 및 기지국(20; Base Station, BS)을 포함한다. 단말(10)은 고정되거나 이동성을 가질 수 있으며, MS(Mobile Station), UT(User Terminal), SS(Subscriber Station), 무선기기(wireless device) 등 다른 용어로 불릴 수 있다. 기지국(20)은 일반적으로 단말(10)과 통신하는 고정된 지점(fixed station)을 말하며, 노드-B(Node-B), BTS(Base Transceiver System), 액세스 포인트(Access Point) 등 다른 용어로 불릴 수 있다. 하나의 기지국(20)에는 하나 이상의 셀이 존재할 수 있다.

이하에서 하향링크(downlink; DL)는 기지국(20)에서 단말(10)로의 통신을 의미하며, 상향링크(uplink; UL)는 단말(10)에서 기지국(20)으로의 통신을 의미한다. 하향링크에서, 송신기는 기지국(20)의 일부일 수 있고 수신기는 단말(10)의 일부일 수 있다. 상향링크에서, 송신기는 단말(10)의 일부일 수 있고 수신기는 기지국(20)의 일부일 수 있다.

무선통신 시스템은 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) /OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 기반 시스템일 수 있다. OFDM은 다수의 직교 부반송파를 이용한다. OFDM은 IFFT(inverse fast Fourier Transform)과 FFT(fast Fourier Transform) 사이의 직교성 특성을 이용한다. 송신기는 데이터에 IFFT를 수행하여 전송한다. 수신기는 수신신호에 FFT를 수행하여 원래 데이터를 복원한다. 송신기는 다중 부반송파들을 결합하기 위해 IFFT를 사용하고, 수신기는 다중 부반송파들을 분리하기 위해 대응하는 FFT를 사용한다.

무선통신 시스템은 다중안테나(multiple antenna) 시스템일 수 있다. 다중안테나 시스템은 다중입출력(multiple-input multiple-output; MIMO) 시스템일 수 있다. 또는 다중안테나 시스템은 다중 입력 싱글 출력(multiple-input single-output; MISO) 시스템 또는 싱글 입력 싱글 출력(single-input single-output; SISO) 시스템 또는 싱글 입력 다중 출력(single-input multiple-output; SIMO) 시스템일 수도 있다. MIMO 시스템은 다수의 전송 안테나와 다수의 수신 안테나를 사용한다. MISO 시스템은 다수의 송신 안테나와 하나의 수신 안테나를 사용한다. SISO 시스템은 하나의 송신 안테나와 하나의 수신 안테나를 사용한다. SIMO 시스템은 하나의 송신 안테나와 다수의 수신 안테나를 사용한다.

다중 안테나 시스템에서 다중 안테나를 이용한 기법으로는 랭크 1에서 SFBC(Space Frequency Block Code), STBC(Space Time Block Code)와 같은 STC(Space-Time Coding), CDD(Cyclic Delay Diversity), FSTD(frequency switched transmit diversity), TSTD(time switched transmit diversity) 등이 사용될 수 있다. 랭크 2 이상에서는 공간 다중화(Spatial Multiplexing; SM), GCDD(Generalized Cyclic Delay Diversity), S-VAP(Selective Virtual Antenna Permutation) 등이 사용될 수 있다. SFBC는 공간 영역과 주파수 영역에서의 선택성을 효율적으로 적용하여 해당 차원에서의 다이버시티 이득과 다중 사용자 스케줄링 이득까지 모두 확보할 수 있는 기법이다. STBC는 공간 영역과 시간 영역에서 선택성을 적용하는 기법이다. FSTD는 다중 안테나로 전송되는 신호를 주파수로 구분하는 기법이고, TSTD는 다중 안테나로 전송되는 신호를 시간으로 구분하는 기법이다. 공간 다중화는 안테나별로 서로 다른 데이터를 전송하여 전송률을 높이는 기법이다. GCDD는 시간 영역과 주파수 영역에서의 선택성을 적용하는 기법이다. S-VAP는 단일 프리코딩 행렬을 사용하는 기법으로, 공간 다이버시티 또는 공간 다중화에서 다중 코드워드를 안테나 간에 섞어주는 MCW(Multi Codeword) S-VAP와 단일 코드워드를 사용하는 SCW(Single Codeword) S-VAP가 있다.

도 2는 송신기 구조의 일예를 나타낸다.

도 2를 참조하면, 송신기(100)는 인코더(110-1,...,110-K), 변조기(120-1,..., 120-K), 계층 맵퍼(130), 프리코더(140), 부반송파 맵퍼(150-1,...,150-K) 및 OFDM 신호 발생기(160-1,...,160-K)를 포함한다. 송신기(100)는 Nt(Nt 1)개의 송신 안테나(170-1,..,170-Nt)를 포함한다.

인코더(110-1,...,110-K)는 입력되는 데이터를 정해진 코딩 방식에 따라 인코딩하여 부호화된 데이터(coded data)를 형성한다. 부호화된 데이터를 코드워드(codeword)라 하며, 코드워드 b는 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.

여기서, q는 코드워드의 인덱스이고, M^(q) _bit 은 q 코드워드의 비트수이다.

코드워드는 스크램블링(scrambling)이 수행된다. 스크램블링된 코드워드 c는 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.

변조기(120-1,...,120-K)는 코드워드를 신호 성상(signal constellation) 상의 위치를 표현하는 심볼로 배치한다. 변조 방식(modulation scheme)에는 제한이 없으며, m-PSK(m-Phase Shift Keying) 또는 m-QAM(m-Quadrature Amplitude Modulation)일 수 있다. 예를 들어, m-PSK는 BPSK, QPSK 또는 8-PSK일 수 있다. m-QAM은 16-QAM, 64-QAM 또는 256-QAM 일 수 있다.

신호 성상 상의 심볼로 배치되는 코드워드 d는 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.

여기서, M^(q) _symb은 q 코드워드의 심볼 수이다.

계층 맵퍼(130)는 프리코더(140)가 안테나 특정 심볼을 각 안테나의 경로로 분배할 수 있도록 입력 심볼의 계층을 정의한다. 계층(layer)은 프리코더(140)로 입력되는 정보 경로(information path)로 정의된다. 각 안테나의 경로로 입력되는 심볼 x는 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.

여기서, v는 계층 수를 의미한다.

프리코더(140) 이전의 정보 경로를 가상 안테나(virtual antenna) 또는 계층(layer)이라 할 수 있다. 프리코더(140)는 입력 심볼을 다중 송신 안테나(170-1,..,170-Nt)에 따른 MIMO 방식으로 처리한다. 프리코더(140)는 코드북(codebook) 기반의 프리코딩을 이용할 수 있다. 코드북 기반의 프리코딩에서 코드북은 본 발명에 따라 생성되는 코드북(예를 들어, 4Tx 랭크 3 코드북)이 이용될 수 있다.

프리코더(140)는 안테나 특정 심볼을 해당 안테나의 경로의 부반송파 맵퍼(150-1,...,150-K)로 분배한다. 프리코더(140)에 의해 하나의 부반송파 맵퍼를 통해 하나의 안테나로 보내어지는 각 정보 경로를 스트림(stream)이라 한다. 이를 물리적 안테나(physical antenna)라 할 수 있다.

각 안테나 포트 p로 보내어지는 신호 y^(p)(i) 는 수학식 5와 같이 표현될 수 있다.

부반송파 맵퍼(150-1,...,150-K)는 프리코딩된 심볼을 적절한 부반송파에 할당하고, 사용자에 따라 다중화한다. OFDM 신호 발생기(160-1,...,160-K)는 부반송파에 맵핑된 심볼을 OFDM 방식으로 변조하여 OFDM 심볼을 출력한다. OFDM 신호 발생기(160-1,...,160-K)는 입력 심볼에 대해 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform)를 수행할 수 있으며, IFFT가 수행된 시간 영역 심볼에는 CP(cyclic prefix)가 삽입될 수 있다. OFDM 심볼은 각 송신 안테나(170-1,..,170-Nt)를 통해 송신된다.

MIMO 시스템에서 송신기(100)는 두 가지 모드로 동작할 수 있다. 하나는 SCW 모드이고, 다른 하나는 MCW 모드이다. SCW 모드에서는 MIMO 채널을 통해 송신되는 송신 신호가 동일한 송신률(data rate)을 갖는다. MCW 모드에서는 MIMO 채널을 통해 송신되는 데이터가 독립적으로 인코딩되어, 송신 신호가 서로 다른 송신률을 가질 수 있다. MCW 모드는 랭크가 2이상인 경우에 동작한다.

도 3은 송신기 구조의 다른 예를 나타낸다. SC-FDMA 접속 방식을 사용하는 상향링크 전송을 위하여 사용될 수 있다.

도 3을 참조하면, 송신기(200)는 스크램블링 유닛(scrambling unit, 210), 변조기(modulator, 220), 변환 프리코더(transform precoder, 230), 자원요소 맵퍼(resource element mapper, 240) 및 SC-FDMA 신호 발생기(250)를 포함한다.

스크램블링 유닛(210)은 입력되는 코드워드에 대해 스크램블링을 수행한다. 코드워드는 하나의 서브프레임의 PUSCH를 통하여 전송되는 비트수만큼의 길이를 가질 수 있다. 변조기(220)는 스크램블링된 코드워드를 신호 성상 상의 위치를 표현하는 변조심볼로 배치한다. 변조 방식에는 제한이 없으며, m-PSK 또는 m-QAM일 수 있다. 예를 들어, PUSCH에서 변조 방식으로 QPSK, 16QAM, 64QAM 등이 사용될 수 있다.

신호 성상 상의 변조심볼로 배치되는 코드워드 d는 수학식 6과 같이 표현될 수 있다.

여기서, M_symb은 코드워드 d의 변조심볼의 수를 나타낸다.

변환 프리코더(230)는 신호 성상 상의 변조심볼로 배치된 코드워드 d를 M_symb/M^PUSCH _SC 집합(set)로 나누고, 각 집합을 하나의 SC-FDMA 심볼에 대응시킨다. M^PUSCH _SC는 상향링크 전송을 위한 대역폭에 포함되는 부반송파의 수를 나타내는 것으로 DFT 크기에 대응될 수 있다. 변환 프리코더(230)는 수학식 7과 같이 DFT를 수행하여 주파수 영역의 DFT 심볼을 생성한다.

여기서, k는 주파수 영역의 인덱스, l은 시간 영역의 인덱스를 의미하고, 자원요소는 (k,l)로 표현된다. 수학식 8에 의한 DFT 심볼은 z(0), ... , z(M_symb -1) 과 같이 출력된다. M^PUSCH _RB 가 상향링크 전송을 위해 스케줄링된 대역폭에 포함되는 자원블록의 수를 나타내고, N^RB _SC 가 주파수 영역에서 자원블록에 포함되는 부반송파의 수를 낼 때, M^PUSCH _SC = M^PUSCH _RB _·N^RB _SC와 같이 표현된다. M^PUSCH _RB는 수학식 8와 같이 적용된다.

이때, α₂, α₃, α₅는 음수가 아닌 정수의 집합(set)이다.

자원요소 맵퍼(240)는 변환 프리코더(230)로부터 출력되는 DFT 심볼 z(0), ... , z(M_symb -1)을 자원요소에 맵핑시킨다. SC-FDMA 신호 발생기(250)는 각 안테나에 대한 시간 영역의 SC-FDMA 신호를 생성한다. SC-FDMA 신호는 송신안테나를 통하여 전송된다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중안테나 시스템에서 송신기와 수신기 간의 데이터 처리를 나타낸다.

도 4를 참조하면, 송신기는 수신기로 데이터를 전송한다(S110). 송신기는 복수의 행 및 열로 구성되는 프리코딩 행렬을 적어도 하나 포함하는 코드북을 정의하거나 정의된 코드북을 이용하여 입력 심볼의 프리코딩을 수행하여 프리코딩이 수행된 심볼, 즉 데이터를 전송한다. 이때, 코드북은 다양한 유형으로 정의될 수 있다. 코드북의 유형에 대해서는 후술한다.

송신기는 스케줄러, 채널인코더/맵퍼, MIMO 인코더 및 OFDM 변조기 등을 포함할 수 있다. 송신기는 Nt(Nt>1)개의 송신안테나를 포함할 수 있다. 송신기는 하향링크에서 기지국의 일부분일 수 있고, 상향링크에서 단말의 일부분일 수 있다.

스케줄러는 N명의 사용자들로부터 데이터를 입력받아, 한 번에 전송될 K개의 스트림을 출력한다. 스케줄러는 각 사용자의 채널정보를 이용하여 가용할 수 있는 무선자원에 전송할 사용자와 전송률을 결정한다. 스케줄러는 귀환데이터로부터 채널 정보를 추출하여 코드율(code rate), 변조 및 코딩 방식(modulation and coding scheme; MCS) 등을 선택한다. MIMO 시스템의 동작을 위해 귀환데이터에는 CQI(channel quality indicator), CSI(channel state information), Channel Covariance Matrix, Precoding Weight, Channel Rank 등의 제어정보가 포함될 수 있다. CSI에는 송수신기 사이의 채널행렬(channel matrix), 채널의 상관행렬(channel correlation matrix), 양자화된(quantized) 채널행렬 또는 양자화된 채널상관 행렬 등이 있다. CQI에는 송수신기 사이에 신호대잡음비(signal to noise ratio; SNR), 신호대간섭과잡음비(signal to interference and noise ratio; SINR) 등이 있다.

스케줄러가 할당하는 가용 무선자원은 무선통신 시스템에서 데이터 전송시에 사용되는 무선자원을 의미한다. 예를 들어, TDMA(Time division multiple access) 시스템에서는 각 시간 슬롯(time slot)이 자원이고, CDMA(Code division multiple access) 시스템에서는 각 코드와 시간 슬롯이 자원이며, OFDMA(Orthogonal frequency division multiple access) 시스템에서는 각 부반송파와 시간슬롯이 자원이다. 동일한 셀(Cell) 또는 섹터(Sector)내에서 다른 사용자에게 간섭을 일으키지 않기 위하여 각 자원은 시간, 코드 또는 주파수 영역에서 직교하게 정의될 수 있다.

채널인코더/맵퍼는 입력되는 스트림을 정해진 코딩방식에 따라 인코딩하여 부호화된 데이터를 형성하고 부호화된 데이터를 신호 성상(signal constellation) 상의 위치를 표현하는 심볼로 맵핑한다. MIMO 인코더는 입력되는 심벌에 대해 프리코딩(precoding)을 수행한다. 프리코딩은 전송할 심볼에 전처리를 수행하는 기법이며, 이러한 프리코딩 기법 중에서는 가중치 벡터 또는 프리코딩 행렬 등을 적용하여 심볼을 생성하는 RBF(random beamforming), ZFBF(zero forcing beamforming) 등이 있다. 프리코딩 기법으로 미리 정해진 코드북 세트를 이용하는 코드북 기반의 프리코딩을 이용할 수 있다. OFDM 변조기는 입력되는 심볼을 적절한 부반송파에 할당하여 송신안테나를 통해 송신한다.

수신기는 송신기로부터 수신되는 데이터에 대한 귀환데이터를 전송한다(S120). 수신기는 OFDM 복조기, 채널추정기, MIMO 디코더, 채널 디코더/디맵퍼 및 귀환정보 획득기 등을 포함할 수 있다. 수신기는 Nr(Nr>1)개의 수신 안테나를 포함할 수 있다. 수신기는 하향링크에서 단말의 일부분일 수 있고 상향링크에서 기지국의 일부분일 수 있다.

수신안테나로부터 수신된 신호는 OFDM 복조기에 의해 복조되고, 채널 추정기는 채널을 추정하고, MIMO 디코더는 MIMO 인코더에 대응하는 후처리를 수행한다. 디코더/디맵퍼는 입력되는 심볼을 부호화된 데이터로 디맵핑하고 부호화된 데이터를 디코딩하여 원래 데이터를 복원한다. 귀환정보 획득기는 CSI, CQI, PMI 등을 포함하는 사용자 정보를 생성한다. 생성된 사용자 정보는 귀환데이터로 구성되어 송신기로 전송된다.

<MIMO-OFDM 시스템의 귀환데이터>

MIMO-OFDM 시스템의 동작을 위해 CQI, CSI, 채널 분산 행렬(channel covariance matrix), 프리코딩 가중치(precoding weight), 채널 랭크(channel rank) 등의 제어정보가 요구된다. FDD(frequency division duplex) 시스템에서 수신기는 이러한 정보들을 귀환 채널을 통해 보고한다. TDD(time division duplex) 시스템에서는 채널의 상호관계(reciprocity) 특성을 이용해 상향링크 채널을 추정하여 하향링크 전송에 사용될 정보들을 획득할 수 있다.

CQI는 자원 할당 및 연결 적합성(link adaptation)을 위해 필요하며, CQI로는 SNR/SINR 등이 사용될 수 있다. SNR/SINR은 1.89dB 간격 16 레벨로 양자화되어 4비트 CQI로 정의될 수 있다. 수신기는 SNR/SINR을 양자화한 후 정의된 CQI 인덱스를 송신기로 보고한다. 또한 MIMO 기법이 사용될 때 최대 2 코드워드(CW)가 지원될 수 있다. 즉, 랭크 2이상의 전송을 위해서는 제1 CW 및 제2 CW의 CQI가 송신기로 보고되어야 한다. 제1 CW는 4bit로 표현되고 제2 CW는 제1 CW에 대한 차이값으로 3비트로 표현될 수 있다.

프리코딩 기법은 전처리 가중치를 사용하여 송신 데이터 열을 전처리하여 전송하는 MIMO 기법이다. 수학식 9는 전처리 가중치를 사용하여 송신 데이터 열 x를 전처리하는 프리코딩 기법을 나타낸다.

여기서, W(i)는 프리코딩 행렬을 나타낸다. 전처리된 송신 데이터 열 y는 수학식 10과 같이 CDD(cyclic delay diversity)를 위한 다이버시티 행렬 D(i) 및 DFT 행렬 U가 적용될 수 있다.

D(i)와 U는 전송 계층에 따라 결정될 수 있다.

수학식 11은 랭크에 따른 프리코딩 행렬 W(i)를 생성하는 일예를 나타낸다.

여기서, C₁, C₂, C₃, C₄는 프리코더 인덱스 12, 13, 14, 15에 대응하는 프리코딩 행렬을 나타내고, υ는 랭크(전송 계층)를 나타낸다.

표 1은 전송 계층에 따라 적용되는 CDD(cyclic delay diversity)를 위한 지연 행렬 D(i) 및 DFT 행렬 U의 일예를 나타낸다.

프리코딩 가중치를 생성하는 방법에 따라 Zero Forcing Beamforming, Eigen Beamforming 및 코드북 기반 프리코딩(codebook based precoding) 등으로 구분할 수 있다. 각 기법을 적용하기 위해서는 CSI, 채널 분산 행렬, 코드북 인덱스 등이 필요하다. 기존의 시스템에서는 하향링크 전송에 대하여 2개의 안테나(2Tx) 및 4개의 안테나(4Tx) MIMO 전송에 대한 코드북 기반 프리코딩이 지원되며, 이를 위해서 2Tx/4Tx 전송을 위한 각각의 코드북이 정의된다.

코드북 기반 프리코딩에서, 수신기는 미리 결정된 몇 개의 프리코딩 행렬을 보유하고 있으며, 송신기로부터 전송되는 신호를 이용하여 채널을 추정하고 추정된 채널 상태와 가장 유사한 프리코딩 행렬을 결정한다. 수신기는 결정된 프리코딩 행렬의 인덱스(PMI) 송신기로 귀환시킨다. 송신기는 귀환된 프리코딩 행렬에 적합한 코드북을 선택하여 데이터를 전송한다. 코드북 기반 프리코딩에서는 PMI만이 전송되므로 귀환데이터의 양이 매우 줄어든다. 코드북 기반 프리코딩 기법은 코드북을 구성하는 방법, 코드북의 종류, 코드북의 크기에 따라 시스템의 성능에 차이가 발생한다. 코드북 기반 프리코딩 기법에서 코드북이 채널상태를 충분히 나타내지 못하면 성능 열화가 발생할 수 있으나, 코드북의 크기가 증가되면 채널상태를 충분히 나타낼 수 있어 최적의 성능에 근접할 수 있다.

<폐루프 MIMO>

채널 상황에 따라 채널과 유사한 프리코딩 가중치를 사용하는 방식을 폐루프(closed-loop) MIMO 방식이라 하고, 채널 상황과 무관하게 일정한 규칙에 따라 프리코딩 가중치를 사용하는 방식을 개방루프(open-loop) MIMO 방식이라 한다.

폐루프 MIMO를 위해서 수신기가 보고하는 프리코딩 가중치의 양은 주파수 단위, 보고 주기 등에 따라 달라질 수 있다. 주파수 단위는 하나의 프리코딩 가중치가 적용되는 주파수 범위로 정의될 수 있으며, 주파수 범위에 따라 시스템 대역폭(system bandwidth)은 광대역 밴드(Wideband, WB), 서브밴드(subband, SB), 베스트 밴드(bestband, BB) 등으로 주파수 단위가 구분될 수 있다. 서브밴드는 적어도 하나의 부반송파를 포함하며, 광대역 밴드는 적어도 하나의 서브밴드를 포함할 수 있다. 베스트 밴드는 수신기에서의 채널 측정에 따라 채널 상태가 좋은 밴드를 의미한다. 코드북 기반 프리코딩에서는 정의된 PMI가 귀환되는데, PMI가 적용되는 범위에 따라 WB PMI, SB PMI, BB PMI로 정의될 수 있다. 정의된 프리코딩 행렬 중에서 일정 대역의 자원의 평균 처리율(throughput)을 최대화할 수 있는 PMI가 선택된다. 프리코딩 가중치는 적용되는 범위가 좁을수록 더 좋은 성능을 보인다.

연속된 12개의 부반송파의 묶음을 자원블록(resource block)이라 하면, 시스템 대역폭과 서브밴드는 자원블록을 기본 단위로 표현될 수 있다. 표 2는 시스템 대역폭과 서브밴드를 자원블록을 기본 단위로 하여 표현한 일예이다.

광대역 밴드 (WB)는 시스템 대역폭으로 정의될 수 있고, CQI를 계산하는 가장 큰 단위로 정해질 수 있다. 서브밴드는 연속된 k개의 자원블록으로 정의될 수 있고, CQI를 계산하는 최소 단위로 정해질 수 있다. 베스트 밴드의 수는 시스템 대역폭에 따라 달리 결정될 수 있다.

시스템 대역폭에 따라 서로 다른 서브밴드 크기가 정의될 수 있다. CQI 계산 범위와 PMI 적용 범위는 동일한 크기의 값이 사용될 수 있다. 24 자원블록을 시스템 대역폭으로 갖는 시스템을 예로 들어 CQI 계산 및 PMI 적용 방법에 대하여 설명한다.

(1) WB CQI/WB PMI를 전송하는 경우, 수신기는 24 자원블록의 평균적인 처리량(throughput)을 최대화할 수 있는 PMI를 선택하고, 선택된 PMI를 적용하여 24 자원블록의 평균적인 CQI를 계산한다. 수신기는 하나의 WB CQI 및 하나의 WB PMI를 구할 수 있다.

(2) SB CQI/SB PMI를 전송하는 경우, 수신기는 2 자원블록으로 이루어지는 서브밴드들에 대한 PMI를 선택하고 평균 CQI를 계산한다. 수신기는 12개의 SB CQI와 12개의 SB PMI를 구할 수 있다.

(3) SB CQI/WB PMI를 전송하는 경우, 수신기는 24 자원블록의 평균적인 처리량을 최대화할 수 있는 PMI를 선택하고, 이 PMI를 이용하여 각 2 자원블록 단위로 평균 CQI를 계산한다(12 CQIs/1 PMI). 수신기는 12개의 SB CQI와 하나의 WB PMI를 구할 수 있다.

(4) WB CQI/SB PMI를 전송하는 경우, 수신기는 2 자원블록 단위로 PMI를 선택하고 선택된 PMI들을 적용하여 24 자원블록의 평균 CQI를 계산한다. 수신기는 하나의 WB CQI 와 12개의 SB PMI를 구할 수 있다.

(5) Best M average CQI/PMI 및 WB CQI/PMI를 전송하는 경우, 수신기는 2 자원블록 단위의 서브밴드 중 처리량이 가장 높은 3개의 서브밴드를 선택하고 베스트 밴드(2×3=6RB)를 위한 PMI를 선택하고 베스트 밴드의 평균 CQI를 계산하며, 전대역 24 자원블록에 대한 PMI를 선택하고 CQI를 계산한다.

<기회적 빔포밍>

채널 상황이 거의 최고점에 있는 사용자에게 자원을 할당하는 스케줄링을 고려할 때, 각 사용자의 채널이 변화가 느린 정적인 채널상황인 경우에 다중사용자 다이버시티 이득(multi-user diversity gain)이 적어진다. 이러한 정적인 채널상황을 공간적인 신호처리를 통해 채널상황의 변화를 더 빠르고 크게 만들어 줌으로써 다중사용자 이득을 높이는 기법을 기회적 빔포밍(opportunistic beamforming) 기법이라고 한다. 기회적 빔포밍 기법을 적용하면, 기지국은 각 안테나에 불규칙한 형태의 크기와 위상을 갖는 프리코딩 가중치를 사용함으로써 마치 불규칙한 방향으로 빔을 형성하는 효과를 얻을 수 있다. 이에 따라 각 사용자들의 채널 상황을 좀 더 역동적으로 바꾸게 된다. 따라서 채널이 느리게 변화하는 채널상황에서 기회적 빔포밍 기법을 사용하고 동시에 스케줄링 기법을 사용하면 더욱 큰 다중사용자 다이버시티 이득을 얻을 수 있다. 또한 OFDMA 시스템에서는 주파수 자원별로 서로 다른 프리코딩 가중치를 적용할 수 있으며, 주파수 균일 채널(frequency flat channel)을 주파수 선택적 채널(frequency selective channel)로 만들어 줌으로써 스케줄링 이득을 얻을 수 있다. OFDMA 시스템에서의 주파수 자원에는 서브블록(subblock), 자원블록(resource block), 부반송파(subcarrier) 등이 있다.

코드북 기반 프리코딩 기법은 미리 결정된 프리코딩 행렬 중 채널상황과 가장 유사한 프리코딩 행렬을 선택하여 PMI를 보고하는 방식으로 귀환데이터에 의한 오버헤드를 줄일 수 있는 장점이 있으나, 코드북은 공간 채널을 대표할 수 있는 코드북 세트의 조합으로 구성되므로 송신안테나의 수가 증가할수록 더 많은 코드북 세트의 조합으로 코드북을 구성하여야 한다. 송신안테나 수의 증가에 따라 코드북 설계에 어려움이 생기고, 코드북 크기가 증가함에 따라 귀환데이터의 오버헤드가 증가할 수 있다.

<상향링크 코드북 설계>

이제, 단말의 증가된 송신안테나를 위한 상향링크 코드북을 구성하는 방법에 대하여 설명한다. 단말이 4개의 송신안테나를 이용하여 랭크 3으로 데이터를 전송하는 경우에 사용되는 4Tx 랭크 3 코드북을 생성하는 방법을 예로 들어 설명한다. 그러나, 본 발명은 안테나의 수 및 랭크 수에 제한되지 않는다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 4Tx 랭크 3 코드북의 유형의 일예를 나타낸다.

도 5를 참조하면, 복수의 안테나를 통하여 2 이상의 랭크를 지원하는 코드북은 복수의 행 및 열로 구성되는 프리코딩 행렬을 적어도 하나 포함한다. 4Tx 랭크 3 코드북은 4×3 (행×열) 형태의 프리코딩 행렬을 적어도 하나 포함한다. 4Tx 랭크 3 코드북은 프리코딩 행렬의 열 또는 행에 포함되는 0(zero)인 요소의 분포에 따라 3가지 유형으로 분류될 수 있다. 코드북 유형 1은 모든 요소가 0이 아닌 요소(non-zero element)로 구성되는 프리코딩 행렬을 포함하는 코드북을 의미한다. 코드북 유형 2는 어느 하나의 열이 0이 아닌 요소만으로 구성되고 나머지 열은 적어도 하나의 0인 요소(zero element)를 포함하는 프리코딩 행렬을 포함하는 코드북을 의미한다. 코드북 유형 3은 모든 열이 적어도 하나의 0인 요소를 포함하는 프리코딩 행렬을 포함하는 코드북을 의미한다. 여기서, 프리코딩 행렬의 요소 a 내지 l은 복소값(complex value)으로 표현될 수 있다. 4개의 송신안테나에서 전송되는 신호의 세기를 맞추기 위하여 4Tx 랭크 3 코드북에는 안테나 전력의 제1 정상화 인자(antenna power normalization factor) 1/2이 적용될 수 있다. 즉, 4Tx 랭크 3 코드북에 포함되는 각 프리코딩 행렬은 1/2로 정상화될 수 있다. 제1 정상화 인자는 안테나의 수에 따른 전력 정상화 인자일 수 있다.

각 코드북의 유형별로 프리코딩 행렬의 행마다 포함되는 0이 아닌 요소의 수가 서로 다르고, 0이 아닌 요소의 수에 따라 안테나 전력의 제2 정상화 인자가 적용될 수 있다. 코드북 유형 1의 경우 프리코딩 행렬의 행마다 0이 아닌 요소가 3개씩 포함되므로 제2 정상화인자 √(1/3)(즉, root (1/3)) 이 적용될 수 있다. 코드북 유형 2의 경우 프리코딩 행렬의 행마다 0이 아닌 요소가 2개씩 포함되므로 제2 정상화 인자 √(1/2)(즉, root (1/2)) 이 적용될 수 있다. 코드북 유형 3의 경우 프리코딩 행렬의 행마다 0이 아닌 요소가 1개씩 포함되므로 제2 정상화 인자 √(1/1)(즉, root (1/1)) 이 적용될 수 있다. 제2 정상화 인자는 코드북의 유형에 따른 전력 정상화 인자일 수 있다.

제1 정상화 인자 및 제2 정상화 인자가 적용된 4Tx 랭크 3 코드북의 유형 1은 수학식 12와 같이 표현될 수 있고, 코드북 유형 2는 수학식 13과 같이 표현될 수 있으며, 코드북 유형 3은 수학식 14와 같이 표현될 수 있다.

코드북 유형 1을 이용하는 경우, 계층별로 4개의 안테나를 통하여 데이터가 전송될 수 있으므로 높은 공간 다이버시티 이득을 얻을 수 있다. 그러나, 코드북의 행의 요소들에 의해 전송 심볼들이 더해져서 PAPR이 높아질 수 있다. 코드북 유형 3을 이용하는 경우, 공간 다이버시티 이득은 낮지만 코드북의 행의 요소들에 의해 전송 심볼들이 더해지지 않으므로 낮은 PAPR을 유지할 수 있다. 코드북 유형 2를 이용하는 경우, 공간 다이버시티 이득을 얻으면서 약간 높은 PAPR을 가질 수 있다. 따라서, 코드북 유형 3을 낮은 CM(cubic metric)을 유지하도록 하는 CMP(cubic metric preserving) 코드북이라 할 수 있다. 코드북 유형 2는 약간 높은 CM을 갖지만 공간 다이버시티 이득을 높일 수 있는 CMF(cubic metric friendly) 코드북이라 할 수 있다.

이하, 4Tx 랭크 3 코드북 유형 1 내지 3을 구성하는 방법에 대하여 설명한다.

<4Tx 랭크 3 코드북 유형 1>

랭크 3 상향링크 전송은 높은 지오메트리(geometry) 상황에서 선택될 가능성이 높다. 따라서, 단말은 낮은 전송전력으로 신호를 전송할 수 있으며, 전송전력의 제한에 자유로울 수 있다. 그러나, 광대역 대역폭(wider bandwidth)의 전송이나 데이터와 제어신호의 동시 전송을 고려한다면, 각 채널은 전송전력이 제한된 상황이 될 수 있다. 따라서 랭크 3 전송에서는 전력제한 상황 및 전력이 제한되지 않는 상황이 적절히 고려되어야 한다.

하향링크를 위한 랭크 3 코드북은 각 열의 모든 요소가 0이 아닌 요소로 구성되고, 각 계층에서 동일한 전송전력으로 신호가 전송되도록 구성된다. 따라서, 각 계층에서 동일한 전송전력의 데이터 전송이 가능하다.

하향링크 랭크 3 코드북에 포함되는 일부 프리코딩 행렬을 선택하여 상향링크를 위한 랭크 3 코드북을 구성할 수 있다. 예를 들어, 하향링크 4Tx 랭크 3 코드북을 기반으로 상향링크 4Tx 랭크 3 코드북 유형 1이 구성될 수 있다. 하향링크 4Tx 랭크 3 코드북에 포함되는 프리코딩 행렬 중에서 QPSK로 구성되어 있는 프리코딩 행렬 및/또는 음의 부호가 짝수 개인 프리코딩 행렬을 우선적으로 선택하여 상향링크 4Tx 랭크 3 코드북을 구성할 수 있다. 코드북을 구성함에 있어서, 가능한 적은 수의 알파벳을 이용하는 것이 계산 복잡도(calculation complexity) 관점에서 이득이 있으며, DFT 형태의 코드북이 각 계층 간에 직교성이 최대로 보장되기 때문이다. 예를 들어, 하향링크 4Tx 랭크 3 코드북에서 인덱스 0, 2, 8, 10인 프리코딩 행렬은 1과 -1로 구성되고 하나의 열에 음의 부호를 갖는 요소가 짝수 개이다.

표 3은 하향링크 4Tx 랭크 3 코드북을 기반으로 선택되는 상향링크 4Tx 랭크 3 코드북의 일예를 나타낸다. 하향링크 4Tx 랭크 3 코드북에서 1, -1, j, -j로 구성되는 8개의 프리코딩 행렬(인덱스 0, 1, 2, 3, 8, 10, 12, 13)이 상향링크 4Tx 랭크 3 코드북으로 선택되는 경우이다.

표 4는 하향링크 4Tx 랭크 3 코드북을 기반으로 선택되는 상향링크 4Tx 랭크 3 코드북의 다른 예를 나타낸다. 하향링크 4Tx 랭크 3 코드북에서 1, -1, j, -j로 구성되는 8개의 프리코딩 행렬(인덱스 9, 3, 0, 2, 8, 10, 11, 15)이 상향링크 4Tx 랭크 3 코드북으로 선택되는 경우이다.

하향링크 4Tx 랭크 3 코드북에서 1과 -1로 구성되는 6개의 프리코딩 행렬(인덱스 0, 2, 8, 10, 12, 13)이 상향링크 4Tx 랭크 3 코드북으로 선택될 수 있다.

이와 같이 구성되는 4Tx 랭크 3 코드북 유형 1은 저속 환경에서 공간 다중화 성능을 높이기 위해 유용하게 이용될 수 있다.

<4Tx 랭크 3 코드북 유형 2>

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 4Tx 랭크 3 코드북을 구성하는 방법을 나타낸다.

도 6을 참조하면, 4Tx 랭크 3 코드북 유형 2를 구성함에 있어서, 계층별로 직교하는 코드북을 구성하는 방법이다. 코드북 유형 2에서 첫 번째 열은 0이 아닌 요소만으로 구성되고, 두 번째 및 세 번째 열(column)은 서로 다른 행(row)에서 0인 요소 (또는 0이 아닌 요소)를 각각 2개씩 포함한다. 0이 아닌 요소만으로 구성되는 열과 0인 요소를 포함하는 열 간의 위치의 스위칭은 동일한 행렬로 간주될 수 있다. 이하, 설명을 위하여 코드북 또는 프리코딩 행렬의 요소의 위치는 (행,열)로 나타낸다.

두 번째 및 세 번째 열은 4Tx 랭크 2 전송에서 사용되는 코드북 형태로 구성될 수 있다. 여기서는 두 번째 열에서 (1,2)의 요소는 1 값을 가지고 (2,2)의 요소는 a 값을 가지며, 세 번째 열에서 (3,3)의 요소는 1의 값을 가지고 (4,3)의 요소는 b 값을 가진다고 가정한다. 이때, a 및 b는 복소값으로 표현될 수 있다.

0이 아닌 요소만으로 구성되는 첫 번째 열은 0인 요소를 포함하는 두 번째 및 세 번째 열과 직교관계를 성립하도록 다음과 같이 구성된다.

(1) 두 번째 및 세 번째 열의 0이 아닌 요소가 첫 번째 열의 동일한 위치의 행으로 삽입된다. 이때, a 및 b는 음(negative)의 값이 곱해져 삽입될 수 있다. 즉, 0인 요소가 포함된 열에서 0이 아닌 요소 중 첫 번째 행의 요소는 그대로, 두 번째 행의 요소에는 음의 값이 곱해져 0이 아닌 요소만으로 구성되는 열에 삽입될 수 있다.

(2) 두 번째 및 세 번째 열의 0이 아닌 요소가 첫 번째 열의 동일한 위치의 행으로 삽입될 때, a는 음의 값이 곱해져 삽입되고 b는 그대로 삽입되면서 b를 포함하는 열의 다른 0이 아닌 요소(ex, 1)에 음의 값이 곱해져 삽입될 수 있다. 즉, 0인 요소가 포함된 열들 중에서 0이 아닌 요소가 상대적으로 위쪽의 행에 포함되는 열에서는 두 번째 0이 아닌 요소에 음의 값이 곱해지고, 0이 아닌 요소가 상대적으로 아래쪽의 행에 포함되는 열에서는 첫 번째 0이 아닌 요소에 음의 값이 곱해져서 0이 아닌 요소만으로 구성되는 열에 삽입될 수 있다.

(3) 두 번째 및 세 번째 열의 0이 아닌 요소가 첫 번째 열의 동일한 위치의 행으로 삽입될 때, 복소값 j가 삽입될 수 있다. 복소값 j=exp(j×π/2)와 같이 나타낼 수 있다. 0인 요소가 포함된 열들 중에서 0이 아닌 요소가 상대적으로 위쪽의 행에 포함되는 열에서는 두 번째 0이 아닌 요소에 음의 값이 곱해지고, 0이 아닌 요소가 상대적으로 아래쪽의 행에 포함되는 열에서는 첫 번째 0이 아닌 요소에 j가 곱해지고 두 번째 0이 아닌 요소에 -j가 곱해져서 0이 아닌 요소만으로 구성되는 열에 삽입될 수 있다.

(4) 두 번째 및 세 번째 열의 0이 아닌 요소가 첫 번째 열의 동일한 위치의 행으로 삽입될 때, 복소값 j가 삽입될 수 있다. 0인 요소가 포함된 열들 중에서 0이 아닌 요소가 상대적으로 위쪽의 행에 포함되는 열에서는 두 번째 0이 아닌 요소에 음의 값이 곱해지고, 0이 아닌 요소가 상대적으로 아래쪽의 행에 포함되는 열에서는 첫 번째 0이 아닌 요소에 -j가 곱해지고 두 번째 0이 아닌 요소에 j가 곱해져서 0이 아닌 요소만으로 구성되는 열에 삽입될 수 있다.

이와 같이, 두 번째 및 세 번째 열의 0이 아닌 요소를 첫 번째 열의 요소로 삽입하여 계층별로 직교하는 4Tx 랭크 3 코드북 유형2가 구성될 수 있다.

한편, 두 번째 및 세 번째 열은 4Tx 랭크 2 전송에서 사용되는 코드북 형태로 구성될 수 있는데, 4Tx 랭크 2 코드북의 유형에 따른 4Tx 랭크 3 코드북의 구성에 대하여 설명한다.

4Tx 랭크 2 코드북은 수학식 15와 같이 표현될 수 있다. 4Tx 랭크 2 코드북은 포함되는 요소의 배치에 따라 3가지 유형으로 표현될 수 있다.

여기서, a 내지 h는 0이 아닌 요소로써 복소값이 될 수 있으며, QPSK 또는 8PSK 등으로 한정되어 표현될 수 있다. 4Tx 랭크 2 코드북은 컬럼 퍼뮤테이션(column permutation)될 수 있으며, 이는 수학식 16과 같이 표현될 수 있다.

컬럼 퍼뮤테이션 관계인 수학식 15와 16은 등가의 행렬로 간주될 수 있다. 컬럼 퍼뮤테이션은 다중 코드워드를 고려한 다중안테나 시스템에서 계층 퍼뮤테이션(layer permutation) 또는 계층 시프트(layer shift)로 구현될 수 있다.

수학식 15에서 a 내지 h가 QPSK로 표현되는 경우, 4Tx 랭크 2 코드북은 표 5와 같이 구성될 수 있다.

4Tx 랭크 2 코드북 유형 1 내지 3은 각각 16개의 프리코딩 행렬을 포함하며, 프리코딩 행렬 인덱스(precoding matrix index, PMI) 1 내지 16으로 지시될 수 있다. 4Tx 랭크 2 코드북은 각 유형에 포함되는 일부의 프리코딩 행렬의 조합으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 유형 1에서 8개, 유형 2에서 4개, 유형 3에서 4개의 프리코딩 행렬을 선택하여 4Tx 랭크 2 코드북을 구성할 수 있다. 유형 1에서 인덱스 3, 4, 7, 8, 9, 10, 13, 14의 프리코딩 행렬, 유형 2에서 인덱스 1, 2, 5, 6의 프리코딩 행렬, 유형 3에서 인덱스 3, 4, 7, 8의 프리코딩 행렬이 선택될 수 있으며, 이를 코드북 세트 A라 한다. 또는 유형 1에서 인덱스 3, 4, 7, 8, 9, 10, 13, 14의 프리코딩 행렬, 유형 2에서 인덱스 1, 2, 5, 6의 프리코딩 행렬, 유형 3에서 인덱스 1, 2, 5, 6의 프리코딩 행렬이 선택될 수 있으며, 이를 코드북 세트 B라 한다.

이와 같이, 구성되는 4Tx 랭크 2 코드북 세트 A, B를 기반으로 상술한 4Tx 랭크 3 코드북 구성 방법을 이용하여 4Tx 랭크 3 코드북을 구성할 수 있다.

표 6은 4Tx 랭크 2 코드북으로부터 구성되는 4Tx 랭크 3 코드북 세트를 나타낸다. 4Tx 랭크 3 코드북에 6개의 프리코딩 행렬이 포함되는 경우이다.

표 6에서 제안하는 방법에 따라 4Tx 랭크 3 코드북 세트 A-1은 수학식 17과 같은 프리코딩 행렬들로 표현될 수 있다.

이외에도, 4Tx 랭크 3 코드북 세트 A-2, B-1 내지 B-6도 제안하는 방법에 따라 생성되는 6개의 프리코딩 행렬로 구성된다.

4Tx 랭크 3 코드북에 8개의 프리코딩 행렬이 포함되는 경우, 4Tx 랭크 3 코드북 세트는 표 7과 같이 구성될 수 있다.

4Tx 랭크 2 코드북의 조합 유형, 4Tx 랭크 3 코드북에 포함되는 프리코딩 행렬의 개수 등은 예시에 불과하며 제한이 아니다. 4Tx 랭크 3 코드북은 다양한 조합의 프리코딩 행렬이 다양한 수로 구성될 수 있을 것이다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 4Tx 랭크 3 코드북을 이용한 전력할당을 나타낸다.

도 7을 참조하면, 4Tx 랭크 3 코드북을 사용함에 있어서, 프리코딩 행렬의 열별로 비균등한 전력이 할당될 수 있다. 4Tx 랭크 3 코드북에서 0인 요소가 없는 열에는 상대적으로 낮은 전력이 할당되고, 0인 요소가 삽입된 열에는 상대적으로 높은 전력이 할당될 수 있다.

예를 들어, 4Tx 랭크 3 코드북 유형 2에서 0이 아닌 요소만을 포함하는 첫 번째 열이 0인 요소를 포함하는 나머지 열보다 상대적으로 낮은 전력이 할당될 수 있다. 각 계층별로 동일한 수준의 전력으로 신호가 전송되도록 하기 위해서, 0이 아닌 요소만이 포함되는 열은 1/3의 전력으로, 0인 요소가 포함되는 열은 2/3의 전력으로 신호가 전송될 수 있다. 첫 번째 열에 맵핑되는 제1 계층의 신호는 각 요소 당 1/3*1/4의 전력을 갖지만, 4개의 안테나를 통하여 전송되므로 1/3 전력으로 전송된다. 두 번째 및 세 번째 열에 맵핑되는 제2 및 제3 계층의 신호는 각 요소 당 2/3*1/4의 전력을 갖지만, 2개의 안테나를 통하여 전송되므로 1/3 전력으로 전송된다. 이와같이, 프리코딩 행렬의 열에 포함되는 0인 요소 또는 0이 아닌 요소의 비율에 따라 열마다 서로 다른 전력을 할당하여 송출되는 신호의 전력이 계층마다 동일하도록 조정할 수 있다.

<4Tx 랭크 3 코드북 유형 3>

4Tx 랭크 3 코드북 유형 3은 4개의 행 중에서 임의의 2개의 행을 선택하여 결합하는 열 벡터 1개 및 4개의 행 중에서 임의의 1개의 행만을 선택하는 열 벡터 2개로 구성된다. 임의의 2개의 행을 선택하여 결합하는 열 벡터는 0이 아닌 요소를 2개 포함하는 열을 의미하고, 임의의 1개의 행만을 선택하는 열 벡터는 0이 아닌 요소를 1개 포함하는 열을 의미한다. 이때, 각 열의 0이 아닌 요소는 서로 다른 행에 위치한다. 즉, 랭크 3 코드북 유형 3은 복수의 안테나를 결합하기 위한 안테나 결합 벡터로 구성되는 열과 복수의 안테나 중 어느 하나의 안테나를 선택하기 위한 안테나 선택 벡터로 구성되는 열로 구성된다. 4Tx 랭크 3 코드북 유형 3을 이용하면 낮은 PAPR을 유지할 수 있다.

여기서는 첫 번째 열이 2개의 0이 아닌 요소를 포함하고, 두 번째 및 세 번째 열이 1개의 0이 아닌 요소를 포함한다고 하자. 첫 번째 열은 안테나 결합 벡터로 구성되고, 두 번째 및 세 번째 열은 안테나 선택 벡터로 구성될 수 있다. 안테나 결합 벡터는 4개의 안테나 중에서 2개의 안테나를 선택하는 것으로, 안테나 번호 (1,2), (1,3), (1,4), (3,4)와 같이 안테나를 결합하는 것으로 구성될 수 있다. 안테나 결합 벡터에서 0이 아닌 요소의 위쪽 행에는 1이 삽입되고 아래 쪽 행에는 QPSK 요소 1, -1, j, -j 중 어느 하나가 삽입될 수 있다. 안테나 결합 벡터의 열 위치와 안테나 선택 벡터의 열 위치는 제한되지 않는다. 그리고 안테나 선택 벡터 열 간의 열 스위치(column switch)는 등가의 형태로 간주될 수 있다.

4Tx 랭크 3 코드북 유형 3에서 안테나 결합 벡터는 1 또는 -1의 알파벳으로 구성되는 것을 기본으로 할 수 있다. 4Tx 랭크 3 코드북을 구성함에 있어서, 안테나 결합 벡터가 포함되는 프리코딩 행렬이 사용되는 경우, 직교하는 2개의 벡터가 각각 포함되는 프리코딩 행렬이 4Tx 랭크 3 코드북에 포함될 수 있다. 예를 들어, 안테나 결합 벡터의 0이 아닌 요소 중에서 두 번째 요소에 음의 부호가 곱해져 직교하는 2개의 벡터가 구성될 수 있다.

표 8은 직교하는 안테나 결합 벡터를 포함하는 4Tx 랭크 3 코드북 유형3의 일예를 나타낸다.

4Tx 랭크 3 코드북 유형 3의 프리코딩 행렬을 구성함에 있어서, 0이 아닌 요소를 포함하는 열에서의 요소 값에 따른 코달 거리(chordal distance)를 고려할 수 있다.

(1) 코달 거리는 0이 아닌 요소가 하나인 열의 요소 값에 영향을 받지 않는다.

표 9는 4Tx 랭크 3 코드북 유형 3에서 1개의 0이 아닌 요소를 포함하는 열의 요소 값에 따른 코달 거리의 일예를 나타낸다.

(2) 동일한 요소 값을 가지는 코드북에서 열 스위치로 구성되는 코드북 세트의 코달 거리는 0(no distance)이 된다.

표 10은 열 스위치에 따른 코달 거리의 일예를 나타낸다.

(3) 코달 거리는 2개의 0이 아닌 요소를 포함하는 열의 요소 값에 따라 결정될 수 있다.

2개의 0이 아닌 요소를 포함하는 열에서 요소 값이 QPSK 위상을 갖는다고 가정하여 요소의 변화에 따른 코달 거리를 설명한다. 표 11은 4Tx 랭크 3 전송을 위한 코드북 유형 3의 일예를 나타낸다.

코드북 유형 3에 있어서, 0이 아닌 요소가 1개인 열에서 0이 아닌 요소는 0이 아닌 요소가 2개인 열에서 0인 요소가 포함되는 행에 위치한다. 0이 아닌 요소가 하나인 열은 코드북 세트의 코달 거리에 영향을 주지 않기 때문에 0이 아닌 요소가 하나인 열에는 임의의 요소 값이 포함될 수 있다. 0이 아닌 요소가 하나인 열은 서로 열 스위치가 될 수 있으며, 이러한 경우에도 코달 거리에 영향을 주지 않는다. 따라서, 코드북 유형 3에서 코달 거리는 0이 아닌 요소를 2개 포함하는 열에 따라 결정될 수 있다.

표 12는 0이 아닌 요소를 2개 포함하는 열의 0이 아닌 요소를 2×1 벡터로 나타낸 것이다.

벡터의 요소는 임의의 값을 가질 수 있다. 예를 들어, 벡터의 요소는 QPSK 또는 BPSK의 위상값을 가질 수 있다. 두 벡터 간의 코달 거리를 계산하기 위하여 각 요소는 QPSK의 위상을 갖는다고 하자. 그리고 경우의 수를 한정하기 위하여 제1 벡터의 첫 번째 행을 1로 고정하자. 벡터를 위한 정상화 인자(normalization factor)로 임의의 값이 사용될 수 있다.

표 13 내지 16은 제1 벡터와 제2 벡터 간의 코달 거리의 일예를 나타낸다. 여기서, 벡터는 1/sqrt(4)로 정상화되고, 코달 거리 '0'=0, '3'=1/sqrt(8), '5'=1/2을 나타낸다.

위에서와 같이, 직교 벡터는 최대 코달 거리를 갖는 것을 알 수 있다. 표 13 내지 16에서 최대 코달 거리 5를 가지는 벡터 세트는 표 17과 같이 나타낼 수 있다.

코드북을 구성함에 있어서, 첫 번째 행에는 항상 1이 위치하고 2번째 행에는 QPSK 위상의 요소가 위치한다고 할 때, 표 17의 16가지 벡터 세트는 표 18과 같이 나타낼 수 있다.

상향링크 전송의 성능을 향상시키기 위하여 4Tx 전송이 사용될 수 있으며, 저속 환경에서 공간 다중화 성능을 높이기 위하여 프리코드된 공간 다중화(precoded spatial multiplexing)이 사용될 수 있다. 상향링크에서 단말의 전력 증폭기에 따라 신호가 왜곡되는 현상이 발생할 수 있기 때문에 낮은 PAPR을 갖도록 상향링크 시스템이 설계되는데, 중간의 지오메트리(medium geometry) 또는 높은 지오메트리 영역에서는 PAPR에 대한 제한이 상대적으로 낮아지므로 코드북 설계시에도 이러한 환경이 고려될 수 있다. 즉, 코드북 구성에 있어서, CMP(cubic metric preserving) 또는 CMF(cubic metric friendly) 형태의 코드북이 구성될 수 있다.

랭크 3을 지원하기 위하여 CMP를 구성하는데 있어서, 2개의 코드워드가 3개의 계층에 맵핑되는 것을 고려할 수 있다. 3개의 열 중에서 어느 하나의 열, 즉 하나의 코드워드에 하나의 계층이 맵핑되는 열은 안테나 선택 벡터로 구성되고, 하나의 코드워드에 2개의 계층이 맵핑되는 나머지 열들로 구성되는 프리코딩 행렬은 안테나 선택에 의한 다이버시티가 크도록 선택된다. 즉, 0이 아닌 요소가 하나인 열 벡터(column vector)가 하나의 코드워드를 갖는 어떤 계층에 맵핑되는데, 이 열 벡터는 안테나 1 내지 4를 선택하는 안테나 선택 벡터일 수 있다. 예를 들어, 0이 아닌 요소가 하나인 열 벡터는 [1000]^T, [0100]^T, [0010]^T, [0001]^T와 같은 벡터로 구성될 수 있다. 3개의 열을 갖는 가중치 행렬에서 2개의 계층이 맵핑되는 코드워드를 위한 열 벡터들 중에서 어느 하나의 열은 안테나 선택 벡터로 구성될 수 있다. 안테나 선택 벡터는 하나의 계층을 갖는 코드워드에 맵핑되는 열에서 선택되는 안테나와 다른 안테나를 선택한다. 2개의 계층이 맵핑되는 코드워드를 위한 열 벡터들 중에서 어느 하나의 열은 2개의 안테나를 결합하는 벡터로 구성될 수 있다. 안테나 결합을 위한 벡터의 요소는 임의의 위상 값을 가질 수 있다. 예를 들어, 벡터의 요소는 QPSK 또는 BPSK의 위상으로 표현될 수 있다. 안테나 결합을 위한 벡터의 2개의 요소 중 어느 하나는 항상 고정된 값으로 표현될 수 있다. 2개의 요소 중 위쪽 행(또는 낮은 인덱스의 행)의 요소에는 항상 '1'이 맵핑될 수 있다. 2개의 요소의 크기는 적절한 크기로 정상화될 수 있다. 예를 들어, 안테나 결합을 위한 벡터의 열이 다른 열과 균등한 전력을 갖도록 하기 위하여, 1/sqrt(2)의 값으로 각 열이 정상화될 수 있다.

이와 같이, 구성되는 코드북 세트의 코달 거리는 0이 아닌 요소를 2개 포함하는 열들 간의 관계에 따라 정해질 수 있기 때문에, 2개의 0이 아닌 요소를 결정할 때는 코달 거리가 최대가 되도록 구성한다. 예를 들어, 표 17과 같이 16개의 직교 벡터 세트를 이용하여 코달 거리가 최대가 되도록 코드북 세트가 구성될 수 있다. 0이 아닌 요소 중 임의의 요소가 고정된 위상을 갖는 경우에는 4개의 직교 벡터 세트를 이용하여 코달 거리가 최대가 되도록 코드북 세트가 구성될 수 있다. 예를 들어, 표 18과 같이 첫 번째 행에 항상 1이 위치하고 2번째 행에 QPSK 위상의 요소가 위치할 수 있다.

한편, 최대 코달 거리보다 작은 거리를 갖는 코드북 세트도 구성될 수 있다. 표 19는 최대 코달 거리보다 작은 거리를 갖는 코드북 세트의 일예를 나타낸다.

제1 코드워드가 제1 계층에 맵핑되고, 제2 코드워드가 제2 계층 및 제3 계층에 맵핑된다고 하자. 이때, 제1 계층은 제1 열에 맵핑되고, 제2 계층은 제2 열에 맵핑되고, 제3 계층은 제3 열에 맵핑된다. 제2 계층 및 제3 계층이 하나의 코드워드에 맵핑되므로, 제2 열과 제3 열이 스위칭된 형태는 등가를 이룬다.

제1 열과 제2 열에서 또는 제3 열에서 안테나 선택 벡터가 사용된다. 여기서, 코드북 세트 A 내지 F는 안테나 선택 코드북 간의 스위칭 형태를 나타낸다. 0이 아닌 요소가 2개인 열에서 제1 요소 및 제2 요소는 임의의 위상을 가질 수 있다. 코드북 1 및 2에서 제3 열이 직교 벡터 세트로 구성된다. 예를 들어, 제3 열의 제1 요소에는 항상 1의 값이 맵핑되고, 제2 요소에는 1 또는 -1이 맵핑되거나 j 또는 -j가 맵핑될 수 있다. 즉, x∈{1, -1} 또는 x∈{j, -j}와 같이 나타낼 수 있다.

표 20 내지 25는 표 19의 코드북 세트에서 x∈{1, -1} 또는 x∈{j, -j}인 경우의 코드북 세트의 일예를 나타낸다.

코드북 세트 A 내지 F에서 x∈{1, -1}로 구성되는 것을 세트 A라 하고, x∈{j, -j}로 구성되는 것을 세트 B라 하자. 즉, 세트 A는 {A-1 또는 A-2}, {B-1 또는 B-2}, {C-1 또는 C-2}, {D-1 또는 D-2}, {E-1 또는 E-2}, {F-1 또는 F-2}를 포함하고, 세트 B는 {A-3 또는 A-4}, {B-3 또는 B-4}, {C-3 또는 C-4}, {D-3 또는 D-4}, {E-3 또는 E-4}, {F-3 또는 F-4}를 포함한다.

세트 A에 포함되는 코드북들은 각 코드북 세트 A 내지 F의 1 또는 2 중에서 선택될 수 있다. 따라서, 세트 A로부터 12개의 요소를 갖는 64개의 코드북 세트가 구성될 수 있다. 세트 B에 포함되는 코드북들은 각 코드북 세트 A 내지 F의 3 또는 4 중에서 선택될 수 있으며, 세트 B로부터 12개의 요소를 갖는 64개의 코드북 세트가 구성될 수 있다.

표 26 내지 89는 세트 A로부터 구성될 수 있는 12개의 요소를 갖는 코드북 세트의 일예를 나타낸다.

표 19의 코드북 세트 A 내지 F에서 일부 세트를 이용하여 코드북을 구성할 수 있다. 예를 들어, 코드북 세트 A, B, E, F를 이용할 수 있다. 이는 예시에 불과하며 선택되는 일부 세트의 개수 및 종류는 제한되지 않는다.

표 90 내지 93은 표 19의 코드북 세트 A, B, E, F에서 x∈{1, -1} 또는 x∈{j, -j}인 경우의 코드북 세트의 일예를 나타낸다.

코드북 세트 A, B, E, F에서 x∈{1, -1}로 구성되는 것을 세트 A'라 하고, x∈{j, -j}로 구성되는 것을 세트 B'라 하자. 즉, 세트 A'는 {A-1 또는 A-2}, {B-1 또는 B-2}, {E-1 또는 E-2}, {F-1 또는 F-2}를 포함하고, 세트 B'는 {A-3 또는 A-4}, {B-3 또는 B-4}, {E-3 또는 E-4}, {F-3 또는 F-4}를 포함한다.

세트 A'에 포함되는 코드북들은 각 코드북 세트 A, B, E, F의 1 또는 2 중에서 선택될 수 있으며, 세트 A'로부터 8개의 요소를 갖는 16개의 코드북 세트가 구성될 수 있다. 세트 B'에 포함되는 코드북들은 각 코드북 세트 A, B, E, F의 3 또는 4 중에서 선택될 수 있으며, 세트 B'로부터 8개의 요소를 갖는 16개의 코드북 세트가 구성될 수 있다.

표 94 내지 109는 세트 A'로부터 구성될 수 있는 8개의 요소를 갖는 코드북 세트의 일예를 나타낸다.

표 19의 코드북 세트 A 내지 F에서 코드북 세트 A, B, C, D를 이용할 수 있다. 이는 예시에 불과하며 선택되는 일부 세트의 개수 및 종류는 제한되지 않는다.

표 110 내지 113은 표 19의 코드북 세트 A, B, C, D에서 x∈{1, -1} 또는 x∈{j, -j}인 경우의 코드북 세트의 일예를 나타낸다.

코드북 세트 A, B, C, D에서 x∈{1, -1}로 구성되는 것을 세트 A"라 하고, x∈{j, -j}로 구성되는 것을 세트 B"라 하자. 즉, 세트 A"는 {A-1 또는 A-2}, {B-1 또는 B-2}, {C-1 또는 C-2}, {D-1 또는 D-2}를 포함하고, 세트 B"는 {A-3 또는 A-4}, {B-3 또는 B-4}, {C-3 또는 C-4}, {D-3 또는 D-4}를 포함한다.

세트 A"에 포함되는 코드북들은 각 코드북 세트 A, B, C, D의 1 또는 2 중에서 선택될 수 있으며, 세트 A"로부터 8개의 요소를 갖는 16개의 코드북 세트가 구성될 수 있다. 세트 B"에 포함되는 코드북들은 각 코드북 세트 A, B, C, D의 3 또는 4 중에서 선택될 수 있으며, 세트 B"로부터 8개의 요소를 갖는 16개의 코드북 세트가 구성될 수 있다.

표 114 내지 129는 세트 A"로부터 구성될 수 있는 8개의 요소를 갖는 코드북 세트의 일예를 나타낸다.

이와 같이, 표 19의 6개의 코드북 세트 A 내지 F에서 임의의 4개의 코드북 세트가 선택될 수 있다. 6개의 코드북 세트 A 내지 F에서 선택되는 임의의 4개의 코드북 세트의 경우의 수는 6c4=15이다. 선택된 임의의 4개의 코드북 세트에서 x∈{1, -1}인 코드북 세트의 1 또는 2 중에서 선택되는 세트로부터 8개의 요소를 갖는 코드북 세트가 구성될 수 있다. 또는 선택된 임의의 4개의 코드북 세트에서 x∈{j, -j}인 코드북 세트의 3 또는 4 중에서 선택되는 세트로부터 8개의 요소를 갖는 코드북 세트가 구성될 수 있다.

표 19의 코드북 세트 A 내지 F에서 2개의 세트를 이용하여 코드북을 구성할 수 있다. 예를 들어, 코드북 세트 A, F를 이용할 수 있다. 이는 예시에 불과하며 선택되는 일부 세트의 개수 및 종류는 제한되지 않는다.

표 130 및 131은 표 19의 코드북 세트 A, F에서 x∈{1, -1} 또는 x∈{j, -j}인 경우의 코드북 세트의 일예를 나타낸다.

코드북 세트 A, F에서 x∈{1, -1}로 구성되는 것을 세트 A'''라 하고, x∈{j, -j}로 구성되는 것을 세트 B'''라 하자. 즉, 세트 A'''는 {A-1 또는 A-2}, {F-1 또는 F-2}를 포함하고, 세트 B'''는 {A-3 또는 A-4}, {F-3 또는 F-4}를 포함한다.

세트 A'''에 포함되는 코드북들은 각 코드북 세트 A, F의 1 또는 2 중에서 선택될 수 있으며, 세트 A'''로부터 4개의 요소를 갖는 4개의 코드북 세트가 구성될 수 있다. 세트 B'''에 포함되는 코드북들은 각 코드북 세트 A, F의 3 또는 4 중에서 선택될 수 있으며, 세트 B'''로부터 4개의 요소를 갖는 4개의 코드북 세트가 구성될 수 있다.

표 132 내지 135는 세트 A'''로부터 구성될 수 있는 4개의 요소를 갖는 코드북 세트의 일예를 나타낸다.

여기서, 4개의 요소를 갖는 코드북 세트에서 두 번째 요소는 x∈{1, -1}인 것으로 나타내었으나, 두 번째 요소는 x∈{j, -j}로 구성될 수도 있다.

한편, 12개의 요소를 갖는 코드북을 구성함에 있어서, 표 19에서 임의의 2개의 코드북 세트가 선택되고, 선택된 코드북 세트의 두 번째 요소가 x∈{j, -1, -j}로 구성될 수 있다.

표 136은 선택된 코드북 세트의 두 번째 요소가 x∈{j, -1, -j}로 구성되는 코드북의 일예를 나타낸다. 표 19에서 코드북 세트 A, F가 선택된 경우이다.

코드북 세트는 단말 또는 기지국에서 다양한 방식으로 구성될 수 있다. 단말은 코드북 세트를 구성할 수 있다. 단말이 서로 다른 유형 또는 성격의 코드북들을 사용할 수 있는 경우, 단말은 특정 코드북 세트를 선택하여 사용할 수 있다. 이때, 단말은 선택한 코드북 세트를 기지국에게 알려줄 수 있다. 서로 다른 유형 또는 성격의 코드북 세트가 구성될 때, 시스템에서는 모든 코드북 세트가 사용되거나 또는 특정 코드북 세트만이 선택적으로 사용될 수 있다. 특정 코드북 세트가 사용되는 경우, 사용되는 코드북 세트가 적용되기 이전에 사용될 코드북 세트에 대하여 기지국과 단말 간에 승인이 이루어져야 한다. 이를 위하여, 단말은 사용하길 원하는 코드북 세트의 그룹을 선택하여 기지국에게 알려줄 수 있다. 기지국은 단말이 선택한 코드북 세트에 대하여 승인할 수 있다. 또는 기지국이 사용할 코드북 세트의 그룹을 단말에게 알려줄 수 있다. 단말이 선택한 코드북 세트의 그룹을 기지국으로 알려주는 경우, 또는 기지국이 단말이 선택한 코드북 세트에 대하여 승인하는 경우, 또는 기지국이 사용할 코드북 세트의 그룹을 단말에게 알려주는 경우에 특정 시그널링을 통하여 이루어질 수 있다. 예를 들어, RRC 시그널링과 같은 상위 계층 시그널링을 통하여 이루어지거나 PDCCH(physical downlink control channel)를 통하여 특정 시그널링이 이루어질 수 있다.

서로 다른 유형 또는 성격의 코드북 세트는 하향링크 전송을 위하여 정의된 코드북 세트(예를 들어, House Holder codebook), CM(cubic metric)은 약간 높지만 공간 다이버시티를 높일 수 있는 CMF 코드북, 낮은 CM을 보장할 수 있는 CMP 코드북 등을 의미할 수 있다. 서로 다른 유형 또는 성격의 코드북 세트는 여러 가지 형태의 코드북 세트와 함께 사용될 수 있다. 예를 들어, CMF 코드북과 CMP 코드북이 결합되어 사용될 수 있다. 표 137은 CMF 코드북과 CMP 코드북이 결합되어 구성되는 코드북 세트의 일예를 나타낸다.

CMF 코드북 및 CMP 코드북에 포함되는 요소의 수는 예시에 불과하며, 각 코드북에 포함되는 요소의 수는 한정되지 않는다.

표 138은 크기 12인 12개의 CMF 프리코딩 행렬을 포함하는 코드북 세트의 일예를 나타낸다.

여기서,

는 CMF 프리코딩 행렬에 대한 열 벡터를 정상화하기 위한 인자이다. CMF 프리코딩 행렬은 4 CM을 보장할 수 있다.

제1 코드워드가 제1 계층에 맵핑되고, 제2 코드워드가 제2 계층 및 제3 계층에 맵핑된다고 하자. 이때, 제1 계층은 제1 열에 맵핑되고, 제2 계층은 제2 열에 맵핑되고, 제3 계층은 제3 열에 맵핑된다.

상술한 예와 달리 제2 열과 제3 열에서 안테나 선택 벡터가 사용될 수 있다. 여기서, 코드북 세트 A 내지 F는 안테나 선택 코드북 간의 스위칭 형태를 나타낸다. 0이 아닌 요소가 2개인 열에서 제1 요소 및 제2 요소는 임의의 위상을 가질 수 있다. 코드북 세트에서 제1 열이 직교 벡터 세트로 구성된다. 예를 들어, 제1 열의 제1 요소에는 항상 1의 값이 맵핑되고, 제2 요소에는 1 또는 -1이 맵핑되거나 j 또는 -j가 맵핑될 수 있다. 제2 요소를 x라고 표현하면, x∈{1, -1} 또는 x∈{j, -j}와 같이 나타낼 수 있다.

표 139는 x∈{1, -1} 또는 x∈{j, -j}인 경우의 코드북 세트의 일예를 나타낸다.

표 139를 참조하면, A 내지 F는 각각 x의 값에 따라 복수의 요소를 가지는 그룹이다. 각 그룹은 x의 값이 QPSK인 경우 4개의 요소로 구성될 수 있고, x의 값이 BPSK인 경우 2개의 요소로 구성될 수 있다. 이러한 그룹을 이용하여 8, 12, 16, 20개의 요소를 갖는 코드북 세트를 구성할 수 있다.

(1) 먼저, 8개의 요소를 갖는 코드북 세트의 구성방법을 설명한다.

A. 표 139의 A, B, C, D, E, F 중에서 2개의 그룹을 선택한다. 선택된 각각의 그룹은 QPSK로 구성될 수 있다. 표 140 내지 154는 2개의 그룹을 선택하여 8개의 요소를 갖는 코드북 세트의 일예를 나타낸다.

B. 8개의 요소를 갖는 코드북 세트를 구성하는 다른 방법은 표 139의 A, B, C, D, E, F 중에서 3개의 그룹을 선택한다. 선택된 각각의 그룹 중 하나의 그룹은 QPSK로 구성되고, 다른 2개의 그룹은 BPSK로 구성될 수 있다. 표 155 내지 394는 3개의 그룹을 선택하여 8개의 요소를 갖는 코드북 세트의 일예들을 나타낸다.

C. 8개의 요소를 갖는 코드북 세트를 구성하는 또 다른 방법은 표 139의 A, B, C, D, E, F 중에서 4개의 그룹을 선택한다. 선택된 각각의 그룹은 BPSK로 구성될 수 있다.

D. 8개의 요소를 갖는 코드북 세트를 구성하는 또 다른 방법은 표 139의 A, B, C, D, E, F 중에서 4개의 그룹은 BPSK로 구성하고, 나머지 2개의 그룹은 '1'로 구성할 수 있다.

(2) 이제 12개의 요소를 갖는 코드북 세트의 구성방법을 설명한다.

A. 표 139의 A, B, C, D, E, F 중에서 3개의 그룹을 선택한다. 선택된 각각의 그룹은 QPSK로 구성될 수 있다. 다음 표 395 내지 414는 3개의 그룹을 선택하여 12개의 요소를 갖는 코드북 세트의 예들을 나타낸다.

B. 12개의 요소를 갖는 코드북 세트의 다른 구성방법은 표 139의 A, B, C, D, E, F 중에서 4개의 그룹을 선택한다. 선택된 4개의 그룹 중에서 2개의 그룹은 QPSK로 구성되고, 다른 2개의 그룹은 BPSK로 구성될 수 있다. 표 415 내지 774는 4개의 그룹을 선택하여 12개의 요소를 갖는 코드북 세트의 예들을 나타낸다.

C. 12개의 요소를 갖는 코드북 세트를 구성하는 또 다른 방법은 표 139의 A, B, C, D, E, F 중에서 5개의 그룹을 선택한다. 선택된 5개의 그룹 중에서 1개의 그룹은 QPSK로 구성되고, 다른 4개의 그룹은 BPSK로 구성될 수 있다.

D. 12개의 요소를 갖는 코드북 세트를 구성하는 또 다른 방법은 표 139의 A, B, C, D, E, F 중에서 6개의 그룹 전체를 BPSK로 구성할 수 있다. 다음 표 775 내지 838는 6개의 그룹 전체를 BPSK로 구성하는 12개의 요소를 갖는 코드북 세트의 예들을 나타낸다.

(3) 이제, 16개의 요소를 갖는 코드북 세트의 구성방법을 설명한다.

A. 16개의 요소를 갖는 코드북 세트의 구성방법은 표 139의 A, B, C, D, E, F 중에서 4개의 그룹을 선택한다. 선택된 각각의 그룹은 QPSK로 구성될 수 있다. 다음 표 839 내지 853은 4개의 그룹을 선택하여 16개의 요소를 가지는 코드북 세트의 예들을 나타낸다.

B. 16개의 요소를 갖는 코드북 세트의 다른 구성방법은 표 139의 A, B, C, D, E, F 중에서 5개의 그룹을 선택한다. 선택된 5개의 그룹 중에서 3개의 그룹은 QPSK로 구성되고, 다른 2개의 그룹은 BPSK로 구성될 수 있다. 다음 표 854 내지 1093은 이러한 방법으로 구성된 코드북 세트의 예들이다.

C. 표 139의 A, B, C, D, E, F 중에서 2개의 그룹은 QPSK로 구성되고, 다른 4개의 그룹은 BPSK로 구성될 수 있다. 다음 표 1094 내지 1333은 이러한 방법으로 구성된 코드북 세트의 예들을 나타낸다.

(4) 이제, 20개의 요소를 갖는 코드북 세트의 구성방법을 설명한다.

A. 20개의 요소를 갖는 코드북 세트의 구성방법은 표 139의 A, B, C, D, E, F 중에서 5개의 그룹을 선택한다. 선택된 각각의 그룹은 QPSK로 구성될 수 있다. 표 1334 내지 1339는 5개의 그룹을 선택하여 20개의 요소를 갖는 코드북 세트의 예들을 나타낸다.

B. 20개의 요소를 갖는 코드북 세트의 다른 구성방법은 표 139의 A, B, C, D, E, F 중에서 4개의 그룹은 QPSK로 구성되고, 다른 2개의 그룹은 BPSK로 구성될 수 있다. 표 1340 내지 1399는 이러한 방법으로 구성된 코드북 세트의 예들을 나타낸다.

본 발명은, CDD를 사용하여 2개의 안테나를 결합하는 안테나 결합벡터와 4개의 물리적 안테나 중 3개의 안테나를 선택하는 안테나 선택 벡터를 사용하여 단일 안테나 전송의 PAPR을 갖게 하는 랭크 3 프리코딩 웨이트(precoding weight)를 구성하는 데 사용될 수 있다.

전송기는 인코딩, 모듈레이션, 계층 맵핑, DFT, 프리코딩, 자원 맵핑, OFDM 신호 생성의 과정을 거쳐 코드워드를 물리적 안테나를 통해 전송한다. 이러한 전송기에 포함되는 프리코더의 입력을 X(i)=[x⁽⁰⁾(i) x⁽¹⁾(i) x⁽²⁾(i)]^T라고 하고, 프리코더의 출력을 Y(i)=[y⁽⁰⁾(i) y⁽¹⁾(i) y⁽²⁾(i) y⁽³⁾(i)]^T라고 가정하자. 프리코더의 프리코딩 웨이트를 W(i)라고 표시하면 Y(i) = W(i)·X(i)로 나타낼 수 있다. 이 경우, W(i)는 다음 수학식 18과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, P_k = P_3k, k = mod (s,6), k = 1, ..., 6, s는 심벌 또는 슬롯 인덱스를 의미한다.

여기서, 퍼뮤테이션 벡터 P_3k는 다음 표와 같다.

또한, C(i)는 다음 표와 같다.

표 1401에서, α는 파워 스케일링 팩터(power scaling factor)로서, {1, 1/2, 1/√2(즉, 1/ root 2)}중 어느 하나의 값을 가질 수 있다. a, b 는 파워 스케일링 팩터로서, {1, 1/2, 1/√2(즉, 1/ root 2)}중 어느 하나의 값을 가질 수 있다. exp(jθ_k)는 복소 값을 가질 수 있으며 예를 들어 8PSK의 경우 {1, (1+j)/2, j, (-1+j)/2, -1, (-1-j)/2, -j, (1-j)/2}의 값을 가질 수 있으며, QPSK의 경우 {1, -1, j, -j}, BPSK의 경우 {1,-1} 또는 {j, -j}의 값을 가질 수 있다.

표 1401에서 C₃₁, C₃₂, C₃₃, C₃₄, C₃₅, C₃₆은 상술한 표 139의 A, B, C, D, E, F 그룹에 각각 대응된다. 따라서, A,B,C,D,E,F 그룹의 요소들은 퍼뮤테이션 벡터와 결합하여 프리코딩 웨이트를 구성할 수 있다. 상기 표 1401의 안테나 결합 매트릭스 중 선택하여 사용하여 두개의 가상 안테나가 결합된 안테나를 통해 신호가 전송되도록 하며, 상기 표 1400의 퍼뮤테이션 매트릭스를 사용하여 심볼 또는 슬롯 단위로 계층 교환(layer swapping)을 하여 가상 안테나가 평균적인 공간 채널을 경험하도록 할 수 있다.

멀티 코드워드 전송이 되는 경우, 심볼 또는 슬롯 단위로 서로 다른 안테나 결합 매트릭스와 퍼뮤테이션 매트릭스를 사용함으로써 각각의 코드워드가 모든 안테나의 채널을 경험하도록 할 수 있다. 또한, 고정된 안테나 결합 매트릭스를 사용하고 심볼 또는 슬롯에서 서로 다른 퍼뮤테이션 매트릭스를 사용할 수 있다. 예를 들어, C₂₁ 매트릭스가 사용되는 경우, 1번 안테나 및 2번 안테나가 결합되어, (1, 2), 3, 4번 안테나를 통해 3개의 가상 안테나의 데이터가 전송된다. 퍼뮤테이션 매트릭스에 의해 각 가상 안테나는 1, 2, 3, 4 번 물리적 안테나의 채널을 경험할 수 있게 된다. 3개의 코드워드가 각 계층에 맵핑될 때 각 코드워드는 1 내지 4번 물리적 안테나의 채널을 경험할 수 있게 된다. 이를 수학식으로 표현하면 다음 수학식 19와 같다.

수학식 19에서, P_k=P_3k , k = mod (s,6), k=1, ..., 6이다. s는 심볼 또는 슬롯 인덱스를 의미한다. C는 각 심볼 인덱스에 상관없이 동일한 프리코딩 웨이트(precoding weight)을 사용하는 것을 의미한다. 예를 들어, C=C₂₁이 사용되는 경우, P_k 는 다음 표 1402에 의해 주어진다.

퍼뮤테이션 매트릭스는 서브 셋 만을 사용할 수도 있다. 예를 들어, 2개의 코드워드를 갖는 시스템에서 코드워드 1이 첫번째 계층에 맵핑되고, 코드워드 2개의 계층(예를 들어 2번째 계층과 3번째 계층)에 맵핑된다고 할 때, (P31, P33, P35) 3개의 매트릭스를 사용하여 코드워드 1은 (1, 2), 3, 4번 물리적 안테나, 코드워드 2는 3 또는 4, (1,2) 또는 4, (1,2) 또는 3의 채널을 경험할 수 있다.

이러한 경우를 수학식으로 표현하면 다음과 같다.

여기서, P₁=P₃₁, P₂=P₃₃, P₃=P₃₅이고, k = mod (s,3), k=1, ..., 3이다. s는 심볼 또는 슬롯 인덱스를 의미한다. C=C₂₁이다. P₃₁, P₃₃, P₃₅는 다음 표와 같다.

또 다른 예를 들어, 2개의 코드워드를 갖는 시스템에서 코드워드 1이 첫번째 계층에 맵핑되고, 코드워드 2가 2개의 계층(예를 들어, 2번째 계층과 3번째 계층)에 맵핑된다고 할 때, (P₃₁, P₃₄, P₃₅) 3개의 매트릭스를 사용하여 각 코드워드가 (1, 2), 3, 4번 물리적 안테나의 채널을 경험할 수 있다. 이러한 경우를 수학식으로 표현하면 다음과 같다.

여기서, P₁=P₃₁, P₂=P₃₄, P₃=P₃₅이고, k = mod (s,3), k=1, ..., 3이다. s는 심볼 또는 슬롯 인덱스를 의미한다.

본 발명에서는 퍼뮤테이션 매트릭스를 사용하여 각 코드워드가 물리적 안테나의 채널을 경험하도록 하는 예를 나타내었으나 이것은 퍼뮤테이션 매트릭스를 사용하는 것으로 한정하는 것은 아니며, 프리코딩 매트릭스의 열(column)에 맵핑되는 각 심볼열이 시간 단위로 매핑되는 열을 변경하는 특정 규칙에 의한 방법도 포함할 수 있다.

도 8은 단말의 요소를 나타낸 블록도이다.

도 8을 참조하면, 단말(50)은 프로세서(processor, 51), 메모리(memory, 52), RF부(RF unit, 53), 디스플레이부(display unit, 54), 사용자 인터페이스부(u

er interface unit, 55)를 포함한다. 단말(50)은 복수의 송신안테나를 구비할 수 있다.

프로세서(51)는 무선 인터페이스 프로토콜의 계층들을 구현하여, 제어 평면과 사용자 평면을 제공한다. 각 계층들의 기능은 프로세서(51)를 통해 구현될 수 있다. 프로세서(51)는 제안하는 프리코딩 방식을 구현할 수 있다. 메모리(52)는 프로세서(51)와 연결되어, 단말 구동 시스템, 애플리케이션 및 일반적인 파일을 저장한다. 메모리(52)는 코드북 기반의 프리코딩을 지원하기 위해 정의되는 코드북을 저장할 수 있다. 디스플레이부(54)는 단말의 여러 정보를 디스플레이하며, LCD(Liquid Crystal Display), OLED(Organic Light Emitting Diodes) 등 잘 알려진 요소를 사용할 수 있다. 사용자 인터페이스부(55)는 키패드나 터치스크린 등 잘 알려진 사용자 인터페이스의 조합으로 이루어질 수 있다. RF부(53)는 프로세서(51)와 연결되어, 무선 신호(radio signal)를 송신 및/또는 수신한다.

단말과 네트워크 사이의 무선 인터페이스 프로토콜(radio interface protocol)의 계층들은 통신시스템에서 널리 알려진 개방형 시스템 간 상호접속 (Open System Interconnection; OSI) 모델의 하위 3개 계층을 바탕으로 L1(제1 계층), L2(제2 계층), L3(제3 계층)로 구분될 수 있다. 이 중에서 제1 계층에 속하는 물리계층은 물리 채널(physical channel)을 이용한 정보 전송 서비스(information transfer service)를 제공하며, 제3 계층에 위치하는 무선 자원 제어(radio resource control, RRC) 계층은 단말과 네트워크 간에 무선 자원을 제어하는 역할을 수행한다. 이를 위해 RRC 계층은 단말과 네트워크 간에 RRC 메시지를 서로 교환한다.

상술한 모든 기능은 상기 기능을 수행하도록 코딩된 소프트웨어나 프로그램 코드 등에 따른 마이크로프로세서, 제어기, 마이크로제어기, ASIC(Application Specific Integrated Circuit) 등과 같은 프로세서에 의해 수행될 수 있다. 상기 코드의 설계, 개발 및 구현은 본 발명의 설명에 기초하여 당업자에게 자명하다고 할 것이다.

이상 본 발명에 대하여 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시켜 실시할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 상술한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명은 이하의 특허청구범위의 범위 내의 모든 실시예들을 포함한다고 할 것이다.

Claims

다중안테나 시스템에서 데이터 전송방법에 있어서,
복수의 행 및 열로 구성되는 프리코딩 행렬을 적어도 하나 포함하는 코드북을 정의하되, 상기 코드북은 상기 프리코딩 행렬의 모든 요소가 0이 아닌 제1 유형, 상기 프리코딩 행렬의 어느 하나의 열이 0이 아닌 요소만을 포함하고 나머지 열은 0인 요소를 적어도 하나 포함하는 제2 유형 및 상기 프리코딩 행렬의 모든 열이 0인 요소를 적어도 하나 포함하는 제3 유형 중 적어도 어느 하나의 유형인 단계;
상기 정의된 코드북을 이용하여 입력 심볼의 프리코딩을 수행하는 단계; 및
상기 프리코딩이 수행된 심볼을 전송하는 단계를 포함하는 다중안테나 시스템에서 데이터 전송방법.
제1 항에 있어서, 상기 코드북은 랭크 3 전송을 위한 코드북인 것을 특징으로 하는 다중안테나 시스템에서 데이터 전송방법.
제1 항에 있어서, 상기 코드북은 4개의 송신안테나를 위한 코드북인 것을 특징으로 하는 다중안테나 시스템에서 데이터 전송방법.
제1 항에 있어서, 상기 코드북은 상향링크 전송을 위한 코드북인 것을 특징으로 하는 다중안테나 시스템에서 데이터 전송방법.
제1 항에 있어서, 상기 프리코딩 행렬은 계층별로 서로 다른 전력을 부가하기 위하여 각 열에 서로 다른 전력인자가 할당되는 것을 특징으로 하는 다중안테나 시스템에서 데이터 전송방법.
제1 항에 있어서, 상기 0이 아닌 요소는 QPSK(quadrature phase shift keying)의 위상 값을 가지는 것을 특징으로 하는 다중안테나 시스템에서 데이터 전송방법.
제1 항에 있어서, 상기 제2 유형의 코드북의 0이 아닌 요소만을 포함하는 열은 0인 요소를 적어도 하나 포함하는 열을 구성하는 0이 아닌 요소의 값에 QPSK 위상 값이 곱해져서 구성되는 것을 특징으로 하는 다중안테나 시스템에서 데이터 전송방법.
제1 항에 있어서, 상기 제2 유형의 코드북의 0인 요소를 적어도 하나 포함하는 열은 랭크 2 전송을 위한 코드북으로부터 구성되는 것을 특징으로 하는 다중안테나 시스템에서 데이터 전송방법.
제1 항에 있어서, 상기 제3 유형의 코드북은 복수의 안테나를 결합하기 위한 안테나 결합 벡터로 구성되는 열과 복수의 안테나 중 어느 하나의 안테나를 선택하기 위한 안테나 선택 벡터로 구성되는 열로 구성되는 것을 특징으로 하는 다중안테나 시스템에서 데이터 전송방법.
제9 항에 있어서, 상기 안테나 선택 벡터로 구성되는 열 간의 열 스위치(column switch)는 등가인 것을 특징으로 하는 다중안테나 시스템에서 데이터 전송방법.
제1 항에 있어서, 상기 제3 유형의 코드북은 코달 거리(chordal distance)가 최대가 되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 다중안테나 시스템에서 데이터 전송방법.